制氫轉化爐爐管損傷狀態分析

李振杰，徐豪杰

（1.中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆獨山子 833699；2.獨山子石化公司煉油廠，新疆獨山子 833699）

0 引言

某石化企業8 萬立方米制氫轉化爐因制氫裝置負荷波動，爐管內介質偏流，爐膛內溫度場不均勻，造成爐管局部超溫，導致1根爐管泄漏著火。制氫轉化爐作為制氫裝置的核心設備，爐管失效不僅會對企業造成重大經濟損失，而且影響裝置的安全、長周期運行。考慮到爐管超溫以及泄漏著火引起的爐管局部過熱對爐管壽命的影響，沒有明顯破壞的爐管能否繼續安全使用是企業迫切需要解決的問題。因此，有必要對爐管的損傷程度以及安全性進行全面的檢驗與分析，掌握沒有明顯破壞的爐管的損傷情況，為轉化爐檢修提供技術依據，對未來轉化爐的安全運行具有重大意義。

1 制氫轉化爐情況

8 萬方制氫轉化爐根據德西尼布（Technip）公司工藝包進行設計，是一種頂燒式加熱爐，設計負荷50%～110%（圖1）。轉化爐管系包括上集合管、上分支管、豬尾管、轉化爐管、熱壁集合管及冷壁集合管，其中共有轉化爐管252 根，分六列垂直排列，每列42 根。爐管材料為25Cr35NiNb-MA，為離心鑄造，規格為ID110 mm×14.0 mm，L=12 930 mm，設計壽命為10 萬小時，設計壓力3.4 MPa，設計溫度960 ℃。

圖1 轉化爐管系

在投用2 年后的檢修期間，對爐管進行了全面檢驗，爐管整體狀況良好。轉化爐運行5 年后（4 萬小時），轉化爐東側1-12#（即第1 列第12 根）爐管上部出現泄漏。經停爐分析，確定爐管失效原因為制氫裝置長期突破設計下限低負荷運行，物料及燃燒器分配不均導致爐管局部超溫，爐管局部過熱時，引起蠕變速度加快、持久強度下降，最終開裂。轉化爐紅外溫度監測記錄也表明失效爐管部位為整個轉化爐溫度最高區域。

使用單位緊急停爐后對失效的爐管進行了堵管處理，并對其余未發現明顯破壞的爐管進行檢驗分析。

2 爐管檢驗

對沒有明顯破壞的251 根爐管進行檢驗與分析，包括宏觀檢查、厚度檢測、蠕脹檢測、爬壁超聲檢測以及金相檢驗等。

2.1 宏觀檢查

爐管宏觀檢查整體情況正常，未見有明顯彎曲變形或開裂，無明顯腐蝕痕跡，局部管段楊梅粒子脫落，部分管段表面呈暗紅色，存在輕微的高溫氧化現象（圖2）。

圖2 爐管宏觀形貌

2.2 厚度檢測

對爐管上部、中部、下部進行厚度檢測，爐管的壁厚值介于14.22～15.85 mm，表明爐管未出現減薄現象。

2.3 蠕脹檢測

對爐管外徑進行蠕脹檢測，爐管外徑設計值為Φ140.0 mm，此次檢測值為138.4～141.3 mm，與2011 年蠕脹檢測數據（138.0～140.6 mm）相比無明顯變化，表明爐管沒有明顯的蠕脹變形。

2.4 爬壁超聲檢測

爐管爬壁超聲檢測由某檢測公司完成，該檢測公司根據大量檢測數據以及剖管分析的結果，結合美國Conam 公司、日本久保田等公司的分級標準，按照損傷程度將爐管劃分為A、B、B+、C 四個級別：

（1）A 級爐管表示爐管質量較好，具有良好的聲穿透性，無高溫蠕變裂紋，無材質劣化，正常工況下可安全使用。

（2）B 級爐管已有一定的損傷，以材料劣化為主，一般徑向有效損傷長度≤（δ 為爐管壁厚），正常工況下可安全使用。

（3）B+級管損傷比較嚴重，以材料劣化和微裂紋為主，一般徑向有效損傷長度≤，正常工況下可安全使用一個周期。

（4）C 級爐管過熱區域明顯，損傷嚴重，主要內部微裂紋和宏觀裂紋為主。一般徑向損傷長度＞，須進行更換。

每列爐管爬壁超聲檢測級別及對應數量如表1 所示：

表1 爐管檢測結果統計 根

通過爐管爬壁超聲檢測結果得知：①251 根爐管中，A 級管147根，B 級管104 根，無B+級和C 級爐管；②B 級爐管損傷部位主要集中在爐管中上部，損傷程度相比下部較嚴重；③位于泄漏爐管附近的1-14#和1-17#爐管，損傷最為嚴重，損傷程度接近B+級。

檢測結果表明，爐管材料出現了一定劣化損傷，但整體損傷程度并不嚴重，在正常工況下爐管可繼續安全使用一個周期。

2.5 金相檢驗

為進一步分析爐管材料的劣化損傷情況，選取超聲檢測分別為A 級和B 級的爐管以及損傷程度接近B+級的1-14#爐管進行金相檢驗（圖3～圖5）。觀察爐管微觀組織發現：

圖3 A 級爐管金相組織

圖4 B 級爐管金相組織

圖5 1-14#爐管金相組織

（1）A 級爐管基體一次碳化物沿晶呈網狀分布相連，有粗化跡象，在奧氏體基體析出二次碳化物且呈彌散分布。

（2）B 級爐管基體一次碳化物出現明顯粗化，細小的二次碳化物在奧氏體基體大量析出，呈彌散分布，部分聚集長大，晶界邊緣有少量微觀孔洞。

（3）1-14#爐管損傷程度較嚴重，相比A 級管和B 級管有明顯更為粗化的一次碳化物，晶內及一次碳化物周圍有大量彌散分布的二次碳化物，部分聚集長大，碳化物密度明顯高于A 級管和B 級管，另外也可以觀察到晶界邊緣有少量微觀孔洞。

各級別的爐管材料微觀組織均為晶界粗化的一次碳化物以及晶內大量彌散分布的二次碳化物，但隨著損傷程度增加，一次碳化物粗化程度明顯提高，二次碳化物數量及彌散分布程度也顯著增加，晶界上逐漸形成微觀孔洞。

25Cr35NiNb-MA 爐管為離心鑄造，原始鑄態組織為奧氏體基體加晶界骨架狀碳化物，該材料在高溫條件下的損傷特征為[1-2]：爐管經高溫服役后，原始鑄態中的一次碳化物將發生粗化并向二次碳化物轉變，碳化物形態也由骨架狀向網鏈狀、塊狀轉變。同時晶內會析出大量粒狀碳化物，在晶粒內部呈彌散狀分布，部分聚集長大成塊，最終一次晶界碳化物骨架狀形態基本上消失，晶界上形成微觀孔洞和裂紋，爐管失效。

在爐管損傷評價研究中，已有大量的研究成果將HP 系列爐管的蠕變損傷和組織損傷結合，綜合判斷爐管的損傷程度，將其與爐管剩余壽命聯系起來，并建立了具體的分級方法[3-4]。此次爐管金相檢驗的結果表明，未破壞的爐管整體損傷級別處于前中期階段，爐管仍有一定的剩余壽命。

3 結論

（1）緊急停爐后對未被破壞的251 根制氫轉化爐爐管開展宏觀檢查、厚度檢測、蠕脹檢測、爬壁超聲檢測等。綜合檢驗結果，尤其在爬壁超聲檢測及金相檢驗的基礎上，對爐管的損傷程度進行分析，服役近4 萬小時，爐管材料雖然出現一定程度的劣化，但是整體損傷程度處于損傷前中期階段，爐管可繼續使用一個周期。

（2）在轉化爐今后的運行中，應加強裝置平穩操作，減少負荷波動，避免超溫運行，并且在今后的檢修中應重點加強超聲檢測級別為B 級爐管的檢驗。